Scopriamo come sono realizzate le antenne in microstriscia degli smartphone

antenne smartphone

Le antenne in microstriscia vengono usate nella maggior parte dei dispositivi elettronici di cui facciamo uso quotidianamente. Dai navigatori GPS passando ai cellulari fino ad arrivare ai tablet, tutto ciò che ci permette di comunicare in modalità wireless lo fa grazie ad una invisibile antenna nascosta nel case del nostro dispositivo. Chi ha memoria degli albori della telefonia mobile in Italia si ricorderà anche degli antennoni dei telefoni cellulari ETACS. Da allora grazie all'aumento della frequenza operativa per questi sistemi e alla ricerca tecnologica, le antenne sono andate sempre più rimpicciolendosi fino ad integrarsi del tutto nel hardware del dispositivo. In questo articolo si affronterà il problema della progettazione di una particolare geometria, quella a patch rettangolare. Inoltre verrano discussi i pro e i contro delle antenne in microstriscia con un analisi matematica delle loro caratteristiche.

La microstriscia

Il principio di funzionamento e le caratteristiche di cui gode la microstriscia sono la base di partenza per la comprensione dei medesimi  meccanismi presenti nelle antenne patch. La microstriscia è una struttura guidante a simmetria cilindrica, aperta e non omogenea.  Questi termini sono molto importanti e necessitano una piccola descrizione:

  • struttura guidante indica che è in grado di convogliare in una determinata direzione la propagazione di un onda elettromagnetica.
  • simmetria cilindrica indica che la geometria della struttura, lungo la direzione di propagazione dell'onda, resta invariata.
  • aperta vuol dire che il campo elettromagnetico non è confinato in una limitata regione dello spazio.
  • non omogenea si riferisce al fatto che i parametri dielettrici della struttura variano a seconda della posizione.

La struttura riportata in basso rappresenta un generico modello di microstriscia. Si possono notare il piano di massa metallico (Metallizzazione 1), rappresentante il primo conduttore, su cui viene deposto un substrato dielettrico al di sopra del quale giace una striscia metallica realizzante il secondo conduttore (Metallizzazione 2).

modello di microstriscia

Parametri fondamentali della microstriscia

In questo paragrafo vengono descritti alcuni parametri geometrici e le proprietà dielettriche dei materiali costituenti la struttura.  La loro conoscenza è di fondamentale importanza per il controllo del comportamento della microstriscia. La figura in basso  riporta la vista frontale della struttura per avere un rapido riferimento rispetto ai parametri descritti.

Vista frontale microstriscia e principali parametri

  • εr è la costante dielettrica relativa del substrato, valori elevati di tale parametro sono richiesti nelle applicazioni della miscostriscia in cui si voglia aumentare l'effetto guidante della struttura.
  • t è lo spessore della metallizzazione, deve essere maggiore di 2 volte lo spessore di penetrazione del campo all'interno del metallo. Inoltre per motivi di natura tecnologica rappresenta un limite alla minima larghezza w della metallizzazione.
  • w è la larghezza della metallizzazione, un suo aumento comporta un aumento dell'effetto capacitivo della struttura e di conseguenza una riduzione della sua impedenza caratteristica.
  • h è l'altezza del substrato, operando su questo parametro è possibile privilegiare l'effetto guidante o quello radiante della microstriscia a parità di costante dielettrica del substrato.
  • tan(δ) è la tangente dell'angolo delle perdite, definisce le perdite in un materiale dielettrico e permette la distinzione tra materiali dielettrici e conduttori.

Come accennato in precedenza, essendo una struttura aperta, la microstriscia presenta accanto ai modi guidati anche un campo di radiazione il quale si propaga sul piano trasversale (cioè verso l'esterno) e il cui peso cresce all'aumentare della frequenza. Il carattere radiativo della microstriscia diviene allora l'aspetto più interessante e quindi da approfondire, per quanto concerne l'analisi delle antenne patch.

Le onde generate nella microstriscia possono essere suddivise in 4 tipologie, che vengono riportate di seguito.

Onde Spaziali

Vengono trasmesse verso l'alto presentando un angolo di elevazione θ compreso tra 0 e  π/2. L'ampiezza del campo di queste onde radiate decresce con la distanza r come 1/r. Le onde spaziali essenziali nelle applicazioni di antenne sono invece da evitare nelle linee di trasmissione e nei circuiti.

Onde spazialiOnde superficiali

Vengono trasmesse verso il basso con angolo di elevazione θ compreso tra π/2 e arcsin(1/√εr). Tali onde vengono riflesse totalmente dal piano di massa (in quanto materiale elettrico perfetto) e poi incontrando l'interfaccia dielettrico–aria vengono riflesse nuovamente per la condizione della riflessione totale. Il limite superiore dell'intervallo in radianti che garantisce l'esistenza di tali onde viene calcolato applicando la legge di Snell all'interfaccia aria–dielettrico.

Onde superficialiQuesto tipo di onde sono indesiderate sia per applicazioni di antenne sia per le strutture guidanti risultando rispettivamente come una perdita di potenza e come accoppiamenti spuri ma possono comunque rivelarsi utili in altre situazioni nelle quali si tende proprio a [...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2023 parole ed è riservato agli abbonati PLATINUM. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici MAKER e PLATINUM e potrai fare il download (PDF) di tutti gli EOS-Book, Firmware e degli speciali MONOTEMATICI. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.

Abbonati alle riviste di elettronica

Scrivi un commento